Заказать звонок
18 мар. 2025

Инструментальные стали и сплавы

Инструментальная сталь — высокопрочный и твердый сплав, содержащий более 0,7 % углерода. Она используется для изготовления профессиональных инструментов, предназначенных для работы в самых сложных условиях эксплуатации.

В этом материале мы разберем, какие бывают виды инструментальных сталей и где они применяются.

Классификация по механическим свойствам:

  1. Теплостойкие, вязкие. Сплавы с низким или средним содержанием углерода и добавлением хрома и/или молибдена.

  2. Не теплостойкие, вязкие, повышенной твердости. Среднее содержание углерода и минимальное количество легирующих присадок.

  3. Высокой твердости, износостойкости, теплостойкости. Концентрация углерода не менее 3 %, наличие большого процента легирующих компонентов.

  4. Высокой твердости, износостойкости, средней теплостойкости. Содержание углерода 2-3 %, более 5 % (редко — до 12 %) хрома.

  5. Высокой твердости, низкой теплостойкости. Высокая концентрация углерода и минимальное количество легирующих добавок.

Инструментальная сталь подразделяется на углеродистую, легированную, быстрорежущую, штамповую и валковую. Каждый тип имеет собственные механические свойства и назначение.

Углеродистая

Сплав изготавливается в соответствии с ГОСТ 1435-99 «Прутки, полосы и мотки из инструментальной нелегированной стали»1. В зависимости от типа металл содержит 0,65-1,29 % углерода, 0,17-0,58 % марганца и 0,17-0,33 % кремния. Углеродистые инструментальные стали характеризуются износостойкостью, жесткостью, долговечностью.

Классификация по содержанию углерода:

  • низкоуглеродистая — до 0,25 %;

  • среднеуглеродистая — до 0,6 %;

  • высокоуглеродистая — до 1,3 %.

Высокая концентрация углерода повышает прочность сплава и в то же время снижает его свариваемость и пластичность.

Типы по составу:

  1. Качественная. Содержит до 0,03 % серы и до 0,035 % фосфора. За счет низкой концентрации легирующих добавок качественная углеродистая инструментальная сталь отличается высокой прочностью, твердостью, износостойкостью.

  2. Высококачественная (высокоуглеродистая). Благодаря сниженному содержанию серы (до 0,02 %) и фосфора (до 0,03 %) имеет улучшенные механические свойства — более высокую прочность, коррозиестойкость, а также устойчивость к изгибу при нагреве. Она используется для производства деталей, имеющих строгие требования к прочности и износостойкости.

Углеродистая сталь используется для изготовления измерительных инструментов, а также деталей, не подверженных перегреву и/или работающих на низких скоростях вращения. За счет низкой свариваемости она не применяется для сварных конструкций.

Наиболее распространенные марки инструментальной углеродистой стали и их назначение:

  1. У7 и У7А. Долговечные бюджетные сплавы для деревообрабатывающих, слесарных и пневматических инструментов.

  2. У8 и У8А. Твердая износостойкая углеродистая сталь для тяжелых условий эксплуатации, применяемая для деревообработки и различных форм литья.

  3. У9 и У9А. Прочный и устойчивый металл, подходящий для производства слесарно-монтажных и деревообрабатывающих инструментов.

  4. У10 и У10А. Применяются для изготовления высокоточных деталей — калибров, столярных инструментов и небольших штампов.

  5. У11 и У11А. Используются аналогично углеродистым сплавам У10 и У10А, а также служат основой для производства холодновысадочных пуансонов.

  6. У12 и У12А. Подходят для изготовления инструментов, в том числе штампов, предназначенных для работы с пластмассой.

  7. У13 и У13А. Высокопрочный износостойкий сплав для выпуска режущего инструмента.

Легированная

Производится по стандарту ГОСТ 5950-2000 «Прутки, полосы и мотки из инструментальной легированной стали»2. Содержит до 0,3-2,2 % углерода, 0,10-2,0 % кремния, 0,10-6,0 % марганца, 0,20-12,5 % хрома. За счет высокой концентрации марганца и хрома сплав отличается высокой твердостью, износостойкостью, ударной прочностью, отличной прокаливаемостью, стойкостью к коррозии и жаростойкостью.

Типы инструментальных легированных сталей в зависимости от процентного содержания легирующих элементов:

  1. Низколегированные (до 2,5 %). Имеют высокий предел текучести, стойкость к низким температурам, коррозии и износу.

  2. Среднелегированные (2,5-10 %). Отличаются увеличенной прочностью и простотой обработки за счет хорошей пластичности.

  3. Высоколегированные (более 10 %). Наиболее дорогостоящие сплавы с улучшенными механическими свойствами.

Легированные стали, как и углеродистые, не предназначены для сварных конструкций и используются для производства режущего и штампового инструмента. Назначение наиболее распространенных марок:

  1. 7ХФ. Инструменты для деревообработки и чеканки.

  2. 8ХФ. Штемпели, кернеры, обрезные матрицы, пуансоны, ножи для холодной резки металлических изделий.

  3. 9ХФ. Режущий инструмент, кернеры, штемпели.

  4. 11ХФ. Хирургические и режущие инструменты с закалкой в горячей среде, штампы, пуансоны, калибры.

  5. 13Х. Аналогичен стали У13 и У13А. Мелкие инструменты с закалкой в масле и более крупные (до 30-35 мм в диаметре) с закалкой в воде.

  6. ХВ4. Инструмент для резки твердых металлов с малой скоростью вращения, прошивные пуансоны.

  7. В2Ф. Ленточные пилы и ножовочные полотна по металлу.

  8. 9Х1. Инструмент для деревообработки, валки холодного проката, клейма, пробойники, пуансоны, матрицы.

  9. Х. Резцы с низкой скоростью вращения, зубила, калибры и калиберные кольца.

  10. 9ХС. Инструменты для скоростной резки металла и деревообработки, машинные штемпели, клейма.

  11. 12Х1. Средства измерения (штангенциркули и пр.).

  12. 9ХВГ. Калибры и штампы сложных геометрических форм.

  13. ХВГ. Инструменты для резки металла и бумаги, деревообработки и проведения измерений.

  14. ХСВГ. Ручной и деревообрабатывающий инструмент, холодновысадочные матрицы и пуансоны, ножи для резки бумаги в промышленных условиях.

  15. Х6ВФ. Фрезерный деревообрабатывающий и резьбонакатной инструмент, холоднокатанные матрицы и пуансоны.

Быстрорежущая

Соответствует стандарту ГОСТ 19265-73 «Прутки и полосы из быстрорежущей стали». Состав:

  • углерод — 0,73-1,1 %;

  • кремний и марганец — 0,2-0,5 %

  • хром — 3,0-4,4 %;

  • вольфрам — 1,5-18,5 %;

  • ванадий — 1,0-2,5 %;

  • кобальт — до 8,5 %;

  • молибден — до 9 %.

Наиболее распространенные сорта быстрорежущей стали:

  • Р6М5;

  • Р6М5К5;

  • Р6М5Ф3;

  • Р6М5К8;

  • Р18;

  • Р7М2Ф6;

  • Р12МФ5;

  • Р9М4К8;

  • Р10М4К14;

  • Р12М3К5Ф2;

  • Р12М3К8Ф2;

  • Р12М3К10Ф2.

Быстрорежущая инструментальная сталь отличается высокой твердостью, жесткостью и устойчивостью. Детали, изготовленные из данного сплава, могут длительно работать на высоких скоростях без износа и деформирования при температуре от +600°C до +6500°C. К таковым относятся фрезы различного типа, сверла развертки, зенкеры и т.д. Быстрорежущая сталь хорошо сваривается, благодаря чему используется для изготовления деталей методом стыковой электросварки.

Штамповая

Классификация штамповой стали:

  1. Для холодного деформирования. Обладает высокой твердостью (более 58 HRC), износостойкостью и вязкостью.

  2. Для горячего деформирования. Содержат не более 0,6 % углерода. Характеризуются высоким сопротивлением пластическому деформированию, тепло- и разгаростойкостью.


Кроме того, штамповые сорта могут иметь высокую, низкую или среднюю теплоустойчивость.

Сорта, используемые в промышленности:

  • Х12МФ;

  • Х12МФ-Ш;

  • Х12Ф1;

  • 5ХНМ;

  • 4Х5В2ФС;

  • 7ХГ2ВМФ;

  • 3Х2В8Ф;

  • 7Х3;

  • 4Х5МФС;

  • 4Х3ВМФ;

  • Х12М;

  • 4ХВ2С;

  • 6ХВ2С;

  • 5ХВ2С;

  • 4Х2В5МФ;

  • 6ХВГ;

  • 6ХС.

Штамповые стали используются для производства валков прокатных станов, пресс-форм, штампов, резьбонакатного инструмента. Эта продукция предназначена для работы с металлическими заготовками под давлением.

Валковая

Относится к сложнолегированным сталям, характеризующимся глубокой прокаливаемостью, износостойкостью, твердостью и стойкостью к деформациям. Как и штамповые сплавы, они подразделяются на сорта для холодной и горячей прокатки.

Сорта валковых сталей:

  • 45ХНМ;

  • 55Х;

  • 60Х2СМФ;

  • 60ХГ;

  • 60ХН;

  • 60ХСМФ;

  • 75ХМ;

  • 75ХМФ;

  • 75ХСМФ;

  • 7Х2СМФ;

  • 90ХМФ;

  • 90ХФ;

  • 9Х2;

  • 9Х2МФ.

Валковая сталь предназначена для производства деталей, подвергающихся интенсивной нагрузке. На ее основе изготавливаются рабочие и опорные валки, поковки, режущий инструмент по металлу, пуансоны, шестерни и т.д.

Обработка инструментальной стали

Для улучшения физических свойств металл подвергается закалке и отжигу. Итоговое качество сплава зависит от точности выполнения процесса и первоначальных свойств стали. При правильном проведении термообработки сталь значительно повышает свою твердость и приобретает оптимальную структуру.

Этапы проведения закалки:

  1. Нагрев до +600°C в специальной ванне с добавлением солей в течение часа.

  2. Снижение температуры до +300°C.

  3. Повторный нагрев металла до более высокой температуры — +1300°C.

Проведение закалки в три этапа позволяет правильно распределить мартенсит и аустенит в сплаве. Для расплавления аустенита проводится отжиг — трехкратное воздействие на поверхность стали температурой +550°C.

Механическая обработка металла предназначена для получения детали требуемой геометрической формы. К ней относятся точение, фрезеровка и шлифовка. Для улучшения эксплуатационных характеристик готовое изделие может быть подвергнуто оцинковке — это продлевает срок его службы и более надежно защищает от коррозии.